«Революция растений»

Растительная нейробиология — весьма любопытная наука, которая изучает коммуникацию, сенсорные системы и поведение растений. Ученые последовательно доказывают, что растения слышат, нюхают, общаются и даже манипулируют другими живыми организмами. В прошлом году основатель растительной нейробиологии итальянец Стефано Маркузо побывал в Москве с лекцией. По этому случаю мы задали ему несколько вопросов. А совсем недавно в издательстве «БОМБОРА» вышла новая книга Маркузо — «Революция растений». Предлагаем читателям N + 1 ознакомиться с отрывком из книги и узнать, являются ли вдохновленные биологией технологии чем-то новым, что такое биоинжереный подход и какие особенности растений вдохновляют создателей роботов.

Являются ли технологии, вдохновленные биологией, чем-то новым?

Спустя годы после появления первых прогнозов, многочисленных исследований, поисков и корректировок долгожданная революция роботов, кажется, наконец принимает вызов, брошенный человечеством. Дешевые и надежные автоматы через несколько десятков лет смогут заменить людей во многих видах деятельности, которая раньше считалась исключительно человеческой прерогативой. Некоторые профессии уже сейчас могут выполняться роботами — они вполне способны убрать пыль в квартире, обрезать траву на газоне или собрать мусор на улице, и это не воспринимается больше как фантастика.

Несмотря на то что автоматы давно стали реальностью, и в некоторых областях без них уже нельзя обойтись, мир все еще убежден, что они по-прежнему где-то в будущем. Их выход на сцену все еще ожидается. Это во многом ошибочное мнение порождено представлениями о том, как должны работать эти новые машины.

На самом деле их распространение уже давно идет по экспоненте в таких сферах, как индустриальная автоматизация, медицина, подводные исследования и подобных — там без роботов уже не обойтись. При этом каждый день появляются новые роботы: саперы, мусорщики, подводники… Однако, если обсуждать эту тему с друзьями и знакомыми, выясняется, что никто, похоже, не отдает себе отчета в том, что, по сравнению с ситуацией 30-летней давности, мы на самом деле окружены роботами со всех сторон. Почему так? Полагаю, из-за того, что массовые представления о роботах сформированы сотнями фильмов и книг, в которых те изображены в виде андроидов, чья конструкция имитирует поведение и облик человека.

Между прочим, само слово «робот» произошло от чешского «robota», означающего тяжелый физический труд (по-польски «robotnik» тоже значит не работник, а именно «фабричный рабочий»). Это слово было придумано чешским писателем Карелом Чапеком для его пьесы, написанной в 1920 году и называвшейся «R.U.R.» — «Россумские универсальные роботы». Новое слово быстро стало популярным и способствовало распространению новых идей. По сюжету пьесы, искусственные рабочие были на самом деле органическими гуманоидами, которых собирали на фабрике из искусственно выращенных человеческих органов, чтобы облегчить жизнь настоящих людей. В значительной мере поэтому в обществе распространилось убеждение, что робот, даже механический, должен обязательно иметь человекоподобный вид и быть нашей упрощенной копией. Спустя несколько лет, в 1927 году, на экраны вышел экспрессионистский фильм Фрица Ланга «Метрополис», окончательно сформировавший в общественном сознании образ человека-машины.

Однако за пределами фантастических произведений никто никогда не утверждал, что человеческий облик является самым подходящим для робота. Конечно, наше представление о том, что эти новые машины должны быть похожими на человека, несет в себе известную долю соблазна, поскольку предполагает, что целью новых технологий является о блегчение и улучшение человеческой жизни. Человек ведь всегда пытался воспроизвести самого себя — или по крайней мере основы своего животного дизайна — при создании инструментов, помогающих упростить жизнь. Возьмем, к примеру, компьютер, неотъемлемый признак современности. Может показаться, что он не имеет с нами ничего общего. Однако процессор имеет сходство с мозгом и управляет программным обеспечением, периферическими устройствами, жесткими дисками, видео- и аудиокартами, представляющими собой как бы технологические воплощения наших органов. Все, что конструирует человек, имеет в более или менее явном виде ту же архитектуру, что и наше тело: «мыслящий мозг», управляющий «исполнительными органами». Даже наше общество, как можно убедиться, имеет аналогичную структуру.

К счастью, в последние годы для создания новых материалов и механизмов начал использоваться биоинженерный подход, стремящийся подражать природе в процессе решения технических проблем. Хотя ничто не ново под луной: еще Леонардо (1452–1519) предлагал эти идеи во многих своих трудах. Например, он создал «робота-рыцаря», придуманного им около 1495 года и ставшего проектом первого в истории действующего робота-гуманоида. Согласно записям в Атлантическом кодексе и другим рукописям, рыцарь мог переступать ногами, двигать руками и головой, открывать рот и даже издавать звуки. Изобретение было придумано для одного из великолепных праздников Миланского дома Сфорца и явно вдохновлено изучением природы, поскольку Леонардо использовал данные анатомических исследований, вылившихся в Витрувианского человека — знаменитый рисунок тосканского гения пером и тушью.

Биоинженерия принесла с собой новые веяния и в современное роботостроение. Однако человек перестал быть единственной моделью для подражания: весь животный мир стал источником идей и современных решений. Не так давно появились роботы, которых можно назвать анималоидами и инсектоидами (от лат. animal — животное, и insectum — насекомое. — Прим. ред.), хорошие результаты были получены при создании роботов, имеющих свойства саламандры, мула, даже осьминога. Естественно, если вы хотите создать робота, который бы мог под водой брать и передвигать предметы, самое надежное — попробовать создать механизм с гибкими как у осьминога щупальцами. Если же вам необходим робот-амфибия, способный работать то в водной среде, то на воздухе — кто лучше саламандры справится с такой задачей? Но пока все-таки биоинженерия ограничивается миром животных. А как же растения? До сих пор считалось, что они не могут дать ничего значительного современным технологиям.

Однако я с этим не согласен. Верю, что растительное царство может дать нам много полезного. Растения потребляют энергию крайне умеренно, способны выполнять ограниченные движения, состоят из отдельных «модулей», весьма прочны, обладают распределенным интеллектом (в противоположность централизованному интеллекту животных) и объединяются в колонии. Если вам требуется нечто прочное, энергетически устойчивое и легко адаптирующееся к постоянным изменениям во внешней среде, то на нашей планете не найти ничего лучше растения.

Почему растения

Возможно, вы уже недоумеваете: «Что, серьезно? Робот-растение? Для чего же он может понадобиться?» Давайте посмотрим вместе. Растения — это многоклеточные эукариотические организмы (эукариоты — домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядро. Эукариотами являются все животные, растения, грибы и простейшие. — Прим. ред.), обладающие способностью к фотосинтезу, обладающие, за редким исключением, надземной частью и корневой системой. Для того чтобы компенсировать отсутствие четко выраженного пола и адаптироваться к постоянно меняющейся среде, и не имея возможности перемещаться, растения выработали способность двигаться вверх через рост и потрясающую пластичность.

Реакция на окружающую среду проявляется в виде переориентации клеток, известной под названием тропизм (От греч. τροπος — рост, направление. — Прим. ред.). Она характеризуется направленным ростом отдельных частей (органов) растения, особенно корневой системы, в ответ на внешние стимулы, самым важным из которых является свет (фототропизм), сила тяготения (гравитропизм), прикосновение (тигмотропизм), уровень влажности (гидротропизм), содержание кислорода (окситропизм) и электрическое поле (электротропизм). Благодаря опытам, проведенным недавно в моей лаборатории, к этому списку добавился еще фонотропизм — рост, стимулируемый звуком. Сочетание всех этих способностей позволяет растению выживать во враждебной среде и заселять почвы, развивая корневую систему, обеспечивающую стабильное существование. Порой эта система значительно превышает по массе и длине надземную часть, и достигает просто невообразимых размеров.

Чтобы увеличить поглощающую способность корней, природа прибегает к удивительному трюку, похожему на тот, что описан в поэтичной античной легенде о царице Дидоне, мифической основательнице Карфагена. В ней рассказывается об африканском правителе Иарбанте, который пообещал продать царице, бежавшей со своим народом из Тира, столько земли, сколько покроет воловья шкура. Иарбант хотел обмануть царицу, но она умудрилась решить задачу оригинальным способом в свою пользу. Разрезав шкуру на тонкие полоски и связав их между собой, Дидона обвила получившейся веревкой гору, на которой и был основан город. Аналогичным образом один стебель пшеницы может под землей протянуть корни на двадцать километров по горизонтали (такова общая длина всех корневых ответвлений). Если же мы решим измерить объем этих корневищ, то сможем поместить их в кубик со стороной в полтора сантиметра.

Другая фундаментальная характеристика корней — способность находить пути для роста в самых прочных материалах. Несмотря на то что они кажутся довольно тонкими и нежными, корни растений могут выдерживать огромное давление и способны раскалывать самые твердые скалы благодаря клеточному делению и экспансии. Корни растений могут прорастать сквозь поры и трещины в почве, размером чуть больше самих корней. Вода, находящаяся внутри клеток, создает давление, которое дает силу, необходимую для роста и проникновения. Осмотический потенциал в корнях создает градиент потенциалов, поддерживающий циркуляцию жидкости внутри клетки. Клетки раздуваются, и их мембраны подталкивают твердую преграду. Давление, возникающее таким образом, варьируется в пределах, в зависимости от вида растения, от одного до трех мегапаскалей, и объясняет, каким образом растения умудряются разрушить такие прочные материалы, как асфальт, цемент или даже гранит.

Индивидуальность растений

У растений есть еще одно, мало известное свойство, которое, по идее, могло бы вдохновить создателей робототехники — они представляют собой многократно повторяющуюся модульную конструкцию. Тело дерева состоит из реплик одного и того же модуля, и вместе они составляют единое целое и обеспечивают общую физиологию. Именно эта особенность строения отличает растительный мир от животного. Поэтому понятие «особь», применяемое для обозначения представителей животного мира, звучит абсурдно в мире растений. Попробуем понять, почему это так. Наиболее распространены два различных определения понятия «особь»:

1. Этимологическое. Особь — это биологическая сущность, которая не может быть разделена на две части без последствий — хотя бы одна из получившихся частей обязательно умрет.
2. Генетическое. Особь — это биологическая сущность, обладающая геномом, остающимся неизменным во времени и пространстве. В пространстве — поскольку геном неизменен в любой клетке организма, во времени — поскольку он сохраняется в клетках неизменным всю жизнь.

Однако эти определения утрачивают смысл, если попробовать применить их к растению.

Попробуем начать с этимологии: растение, разделяясь надвое, размножается. В конце XIX века французский натуралист Жан-Анри Фабр (1823–1915) написал, что «животных, в большинстве случаев, поделить на части невозможно — это ведет к уничтожению; растения, наоборот, при делении на части размножаются». Этот вывод понятен не только исследователям, но и обычным садоводам-любителям: многие используют методы размножения растений черенками или посредством прививок, и вполне успешно.

Однако и генетическое постоянство кажется не столь уж бесспорным в царстве растений. Животное, вне зависимости от размеров, живет с геномом, одинаковым во всех клетках тела, и сохраняет его неизменным всю жизнь. На растения данное правило, похоже, не распространяется — с этим сталкиваются исследователи, занимающиеся мутациями плодовых деревьев. История плодового садоводства рассказывает о случаях обнаружения на одном и том же дереве ветвей мутантов, с плодами, отличающимися от остальных плодов. Тому масса примеров, потому что таким путем появились многие сорта фруктов. Нектарин — скорее всего, результат мутации персика, а виноград сорта «пино гриджио» — мутация сорта «пино неро».

Удивительным примером сосуществования двух разных геномов в одном растении могут служить так называемые «химеры», то есть растения, которые, подобно персонажу греческой мифологии, состоят из разных видов, сосуществующих в результате прививки одного растения к другому. Таким образом получаются разные фруктовые «диковины». Например, апельсины витой формы, или гибрид мандарина с грейпфрутом — яркие примеры особенностей растительной жизни. Среди химер следует особо отметить биццарию, Сitrus aurantium bizzarria, довольно редкое растение, приносящее плоды, похожие на горький апельсин с хвойным привкусом. Это растение длительное время входило в аптечный набор первой помощи. Оно было впервые описано в 1674 году директором ботанического сада Пизы Пьетро Нати (1624–1715) и долгое время считалось утраченным. Оно было обнаружено вновь в 60-е годы прошлого века. Это один из самых удивительных феноменов в мире растений: все деревья одинакового возраста имеют одни и те же генетические изменения.

Таким образом, выделить «особь» в мире растений очень и очень трудно. Уже в конце XVIII века начала распространяться идея, что растения, в особенности деревья, вполне способны создавать колонии, состоящие из повторяющихся элементов. В 1790 году Иоганн Вольфганг фон Гете (1749–1832), который был не только прекрасным писателем и философом, но и блестящим ботаником, написал: «Боковые ветви, зарождающиеся в узлах растения, могут рассматриваться как отдельные растения, укорененные в материнском теле точно так же, как оно само укоренено в земле». А Эразм Дарвин (1731–1802), дедушка знаменитого английского натуралиста Чарлза Дарвина (1809–1882), подтвердил в 1800 году мысль, ранее высказанную Гете: «Каждая часть дерева суть отдельное растение; дерево же, таким образом, суть семья отдельных растений». В 1839 году его внук Чарлз добавил: «Удивительным кажется тот факт, что различные особи могут быть тесно соединены между собой, однако деревья подтверждают это своим примером: на самом деле все ростки могут рассматриваться, как отдельные растения. Полипы внутри коралла или ветки на дереве — пример того, что разделить их полностью невозможно».

Наконец, в 1885 году немецкий ботаник Александр Браун (1805–1877) утверждал: «Жизнь растений, прежде всего деревьев, заставляет подумать, что речь не идет о неких отдельных особях, таких, как животное или человек, но, скорее, о сообществе особей, тесно и неразрывно соединенных между собой».

Можно заметить, что концепция «колонии растений» имеет уже довольно давнюю поддержку в научном мире; кроме того, среди биологов популярна теория, весьма перспективная для робототехники, предполагающая, что колониям растений свойственно жить дольше, чем отдельным живым элементам, их составляющим. Одинокий полип может прожить всего несколько месяцев, в то время как коралловая колония практически бессмертна. То же самое и с деревом: жизнь одной ветки, как архитектурной единицы, довольно коротка, в то время как колония, то есть само дерево, живет порой очень долго. Каждое отдельное дерево можно сравнить с колонией, состоящей из отдельных повторяющихся модулей.

Следует добавить также, что концепция повторяющихся составных элементов верна не только для надземной части растения, но и для его корневой системы. Один-единственный корешок имеет собственный командный центр, определяющий направление роста, однако, как настоящий член колонии, он обязательно кооперируется с другими корнями для успешного разрешения возникающих в жизни растения сложностей. Возникновение интеллекта, распределенного по телу, стало естественным шагом эволюции растений. Эта простая и функциональная система позволяет им быстро и эффективно отвечать на вызовы, поступающие извне, от постоянно меняющейся окружающей среды.

Полностью читайте:

Революция растений / Стефано Манкузо ; пер. с англ. Мильды Соколовой ; науч. ред. Александр Губанов. — М.: Бомбора, 2019. — 312 с.